根據邏輯鏈與思維鏈設計物理實驗

【摘 要】物理實驗是物理課堂，特別是新授課中非常重要的一個環節。新授課中物理實驗的設計要符合本節課的邏輯鏈和學生的思維鏈，以人教版高中物理教材“電容器的電容”為例，教師可以通過引課實驗創設情境，借助對比實驗、創新教具等方法設計核心實驗，布置課后實驗鞏固所學知識，在科學探究的過程中提高學生解決問題的能力，培育其核心素養。

【關鍵詞】科學探究;邏輯鏈;思維鏈;物理實驗;電容

【中圖分類號】G633.7 ?【文獻標志碼】A ?【文章編號】1005-6009（2022）11-0053-04

【作者簡介】沃誠，江蘇省揚州市揚州中學教育集團樹人學校（江蘇揚州，225000）教師，一級教師。

物理新授課不僅要做實驗，更要重視實驗的邏輯性，培養學生“提出問題”的能力，引導學生發展邏輯性思維。教師要結合對應的物理實驗現象，在探究式教學中以新知識促進學生更新與完善已有的認知結構。

一、巧設物理實驗，匹配邏輯思維鏈

筆者以人民教育出版社2019年版高中物理教材第三冊“電容器的電容”一課的教學為例，說明如何在新授課上巧設物理實驗，匹配學生的思維鏈。在設計科學探究時需要考慮以下兩個方面：一是這節課的邏輯鏈，它承載著教學中核心素養的目標要求，知識的多少、呈現的方式、難易程度都受它的制約;二是學生的思維鏈，它具有主觀性、隱蔽性、非結構性，它的產生、發展與完善，往往決定著學生科學探究能力提升的程度。[2]基于此，實驗設計需要考慮以下幾點：（1）引課實驗要能夠建立本節課的主線，使學生產生認識沖突，便于提出問題;（2）在重難點處設計核心實驗，要使學生能通過直觀現象不斷驗證自己的猜想，同時要考慮實驗的時效與方便程度;（3）課后動手實驗要考慮知識的綜合性、時間和經濟成本、操作的復雜度等因素。

基于以上思考，筆者設計了“電容器的電容”一課教學的邏輯鏈、思維鏈及實驗設置。（見文末表1）

二、教學過程及設計意圖分析

1.以引課實驗激發學習的興趣和動力。

【引課實驗】LED小燈泡發光實驗

教師演示，先用電源對LED小燈泡供電，再用新元件對LED小燈泡供電。（見圖1）

師：同學們觀察到什么現象？

生：用電源對LED小燈泡供電時，小燈泡持續發光且亮度不變。用新元件對LED小燈泡供電時，小燈泡能發光但亮度逐漸變暗。

師：針對這一現象，你們有什么疑問？

生1：新元件的結構是什么樣的？

生2：新元件為什么能使小燈泡發光但亮度逐漸變暗？

師：今天我們就一起來學習新的電子元件——電容器。

【設計意圖】用引課實驗創設情境，引起學生的好奇心，激發學生研究的興趣和動力。同時鍛煉學生提出問題的能力，為接下來的教學做鋪墊。

2.以核心實驗突破難點突出重點。

【核心實驗1】演示定量觀察電容器的充、放電現象。

教師提供改進后的實驗電路與器材。（見圖2）

實驗過程：（1）對電容器充電，每隔4s記錄一次電流、電壓值;（2）待電壓保持穩定后，使電容器放電，每隔4s記錄一次電流、電壓值;（3）在坐標紙上描點作I-t、U-t圖像。（見圖3、圖4）

師：電容器充電和放電的過程中，電流、電壓是怎樣變化的？

生：電流由大變小;電壓先由小變大，再由大變小。

師：電容器所帶電荷量如何變化？能量如何變化？

生：充電過程中，電容器所帶電荷量增大，電能轉化為電場能;放電過程中，電容器所帶電荷量減小，電場能轉化為其他形式的能。

【設計意圖】物理學中常用實驗歸納的方法來總結規律，借助圖像來分析實驗數據并總結規律，可以讓學生經歷完整的實驗探究過程，提高其制定計劃、設計實驗、進行實驗、收集證據、基于證據做出解釋、交流等能力。

【核心實驗2】演示不同電容器在同一電壓下儲存電荷的本領。

教師在實物投影下用16V電壓先給1000μF的電容器充電并短接放電，再給4000μF的電容器充電并短接放電。

師：這兩種情況下，電火花大小怎么樣？這說明了什么？

生：第二次火花大，說明第二次電容器儲存的電荷多。

【設計意圖】通過對比實驗，學生意識到不同電容器儲存電荷的本領不同，需要用物理量來描述這個本領。

【核心實驗3】探究同一電容器在不同電壓下儲存電荷的本領。

教師在實物投影下用16V電壓給4000μF的電容器充電并短接放電，再用10V電壓充電后短接放電。

師：這兩種情況下，電火花大小怎么樣？這說明了什么？

生：電壓大的時候電火花大，說明電容器儲存的電荷多;電容器儲存電荷的本領除了跟電容器自身有關，還與電壓有關。

師：請同學們思考，能否僅用電容器所帶電荷量表述電容器儲存電荷的本領？如果不能，我們可以使用什么方法？

【設計意圖】人教版教材強調電容概念的建立過程，新增了“探究電容器兩極板間電勢差與所帶電荷量的關系”的實驗。在教學過程中，學生會提出問題“為什么不能直接用電容器所帶電荷量描述電容器儲存電荷的本領”，這就為后續的教學奠定了基礎。

【核心實驗4】用簡易恒流源探究電容器兩極板間電勢差與所帶電荷量的關系。

實驗原理： 因為沒有直接測量電荷量Q的工具，所以使用“轉換法”以及新裝置“恒流源”。恒流源是在一定的工作條件下能提供恒定電流的電源。因為I一定，根據Q=It可將不易測量的電荷量Q轉換為容易測量的時間t。因此可通過探究U與t的關系得到U與Q的關系。

師：同學們，你們認為U跟Q之間最簡單、最有可能的定量關系是什么？

生：U/Q是定值。

實驗過程：（1）對2200μF/50V的電容器A充電，每隔3s記錄電容器兩端電壓;（2）放電后再充電，做3次取平均值并記錄數據;（3）電容器換為1100μF/50V的電容器B，重復以上步驟;（4）將兩個電容器得到的數據作U-t圖像。（見圖5）

師：觀察圖像U和t是什么關系？

生：在誤差范圍內，U和t成正比。

師：如何得到U和Q的關系？關系是什么？

生：因為Q=It，且I恒定，所以只需將橫坐標t乘電流I，可得Q。即將U-t圖像轉換為U-Q圖像。（見圖6）

師：根據U-Q圖像，能得到“同一電容器的U/Q是不變的;不同的電容器，U/Q一般不同”的結論。用U/Q還是Q/U表征電容器存儲電荷的本領更好，為什么？

生：用Q/U更好，因為Q是結果，影響因素為電壓和電容器自身。

【設計意圖】教科書上的探究方案僅能證明同一個電容器Q/U是不變的，無法比較不同電容器之間的關系。因此，筆者通過自制創新教具“恒流源”和物理思維方法“轉換法”，突破了本節課的難點。

3.以應用實驗，體現學習的價值。

【應用實驗】課后自制電磁炮

師：同學們能說說電容器在生活中有哪些應用嗎？

生：手機和電腦需要電容器;電動汽車里有電容器;航母上的電磁彈射，軍艦上的電磁炮、激光武器。

師：（播放自制電磁炮視頻）有興趣的同學可以課后動手做一做，并思考兩個問題。（1）用電源與電容器供電，所呈現的現象不同說明了什么？（2）可以用什么方法增加炮彈射程？

【設計意圖】引導學生意識到技術應用的前提是科學理論，凸顯學習和研究的價值。在自制電磁炮及實驗過程中，使學生認識到電容器和電源的異同，解決學生的疑惑，并為后續的學習打下基礎，給學生留以進步的空間。

三、結語

為了讓學生掌握正確的物理觀念，不斷提升科學思維能力，培養科學態度與責任，教師應設計好環環相扣的實驗，多組織探究式學習，以推動學生牢固掌握物理概念和物理規律。

【參考文獻】

[1]廖伯琴.普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）解讀[M]. 北京：高等教育出版社，2020.

[2]王強.邏輯思維鏈在物理概念建立過程中的應用——一次師范生講課比賽后的反思[J].物理教學，2021（7）：16-18.

[3]沃誠.簡易恒流源的制作與調試[J].實驗教學與儀器，2021（7/8）：95-98.

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